超声波分离技术原理

近年来，频率超过400kHz的高频超声声波作为一种提高多组分混合物中食品材料回收率的手段已被广泛用于各种应用中。超声分离的前提是在不改变食品的物理或化学完整性的情况下，实现对分离过程的显著增强。超声波驻波的应用导致单个液滴或颗粒在反应堆内压力节点或波腹处的特定定位，这增加了它们更快地聚集或聚结成较大实体的可能性。增加的颗粒尺寸促进浮选或沉降，因此增强了材料混合物的分离倾向。本章将详细介绍该技术背后的主要原理以及如何将其应用到现有食品加工生产线中。将展示该技术在食品加工中的应用，展示棕榈油加工行业的商业成功以及乳制品和生物制品的未来潜力。

超声波分离简介

食品的超声波加工已经研究多年，应用主要集中在20-100kHz的频率范围内，这一区域通常被称为“功率超声"区域。这里，可能会出现一种称为声空化现象。超声波向液体中施加压力波，导致溶液中现有的溶解气体形成膨胀和收缩的气泡。由于聚结和传质，这些气泡将随时间推移，当达到称为共振尺寸的气泡直径时，就会坍塌。坍塌事件往往强度高，导致温度上升至10,000 K，在坍塌气泡的局部空间内产生数百个大气压的压力冲击波。这些物理效应可以有效地用于强烈的剪切、混合和加热，并适用于食品加工应用，如乳化、匀化、萃取或热处理。

超声波分离技术通常使用高频超声（> 0.4 MHz至几MHz）来分离悬浮在液体中的食物液滴和/或颗粒。在这些较高的频率下，由于剧烈的空化泡破裂，导致的增强的剪切和物理破坏，几乎可以忽略不计。首先，空化阈值随着超声频率的增加而增大，使得坍塌事件发生的可能性降低。此外，气泡破裂的共振尺寸也与声波频率成反比。随着共振尺寸的降低，气泡崩塌事件发生的动量减小，以至于在频率大于1mhz时，这些坍塌事件变得相对良性。因此，超声分离不同于典型的超声处理应用，它的目标是通过避免剧烈的气泡破裂来实现“良性"处理。

食品系统中的分离技术

传统的食品分离工艺包括离心、沉淀法或澄清法、化学诱导絮凝法和膜过滤法。这些分离过程是行之有效的和稳定的操作方法。

尽管如此，它们还存在一些潜在的问题，包括但不限于以下几点：

1. 能源消耗高；

2. 过度剪切可能损害产品的完整性；

3. 产品污染限制了产量或需要大量清洗；

4. 分离速度慢；

5. 过度使用化学品。

超声波分离可以单独使用，也可以与这些技术结合使用来提高工艺效率。

在食品工业中，超声波分离有效的三个主要方面：

• 第一种是絮凝或聚集增强，即在现有的澄清或化学絮凝系统中应用超声波驻波可以显著提高分离发生的速率，从而减少停留时间和/或化学要求。可以实现降低成本，提高吞吐量和降低生态足迹。

• 第二种方法是对上游的食品原料进行预处理或预先处理，然后再进行分离操作。这一策略在处理异质食物方面特别有效，例如含有固体、液体和液体产物的食物。例如被粉碎的棕榈果的果皮材料。超声波的应用不仅引发了材料的聚合, 在下游澄清过程中分离速率更快, 而且超声波提供的温和的物理剪切可以帮助释放更多的产品。这可以提供更高的固相产物回收率，并通过更快和更有效的下游分离降低潜在的能量需求。 与离心分离等现有分离相结合，可以节省大量能源。

• 最后，可以调整兆声波分离参数（例如频率，功率水平和停留时间），以选择性地去除特定尺寸的颗粒。因此，它可以被用作分散在连续相内的食品成分的分馏工具。通过分馏成具有更高营养或结构效益的流，可能增加的成分包括：脂肪、蛋白质、碳水化合物和纤维。为此，超声分离技术是对现有膜分离工艺的补充。

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